面向汽车动力学控制的汽车仿真软件开发1
李幼德，刘巍， 李静
吉林大学汽车工程学院 (130022)
E-mail ：aweii_liu@
摘 要：汽车动力学仿真软件对汽车电控系统的开发具有重要意义。本文利用Matlab/Simulink 软件编制适用于汽车电控制系统开发的汽车动力学模型，并编制了图形用户界面，并针对样车进行了不同工况的模拟。 关键词：汽车动力学，图形用户界面，仿真
1．引言
随着汽车电子控制系统的发展，特别是汽车电控制系统开发手段的发展，以Matlab/Simulink 和Dspace 为开发平台的V 流程的电控系统开发方法已被越来越多的开发商所采用。在汽车电控制系统的开发中，例如汽车牵引力控制系统（TCS ）、汽车制动防抱死控制系统（ABS ）和汽车稳定性控制系统（ESP ）等，为了研究汽车各控制系统的控制算法，汽车动力学仿真模型是必不可少的。而传统的汽车动力学仿真模型(如Adams 和Simpack 等)，由于仿真的实时性较差，并不能够满足汽车电控制系统开发的要求。因此，开发基于Matlab/Simulink 平台的汽车动力学仿真软件对于汽车电控系统具有重要的使用价值。
2．汽车动力学模型
考虑汽车动力学模型运行实时性的要求，汽车动力学模型需要进行适当的简化。因此，忽略汽车的侧倾和俯仰运动，以及悬架的影响，但是考虑了汽车载荷的转移。在汽车动力学模型中，包括：发动机模型、传动系模型、轮胎模型、车轮模型以及整车模型等。
2.1发动机模型
发动机模型的输入包括：油门开度、反馈的发动机转速。整个的发动机将简化为一个一阶惯性环节系统[1]。
1
2
1sT e e T e
M sT −=
+ （1）
其中：e M 发动机的动态输出力矩；为发动机的静态输出力矩，为系统时间常数，为系统滞后时间常数而拉氏变换变量。
e T 2T 1T s 2.2制动器模型
制动器模型采用的是盘式制动器模型，公式如下：
b w T A n s P b µη=⋅⋅⋅⋅⋅ （2）
1
本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20020183025）资助
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其中：A 制动钳与制动盘的接触面积；单个车轮制动器中制动钳的数量；w n µ制动钳和制动盘之间的摩擦系数；有效摩擦半径；s η制动效率。
2.3轮胎模型
非线性的轮胎模型选用Dugoff [2]轮胎模型。公式如下：
(
1peak s A R µµ=− （3）
H =
（4） 21111114s
x s
s
C H s F s C H s H H ⋅<−=−≥−⎧⎪⎪⎨
⎛⎞⎪⎜⎟⎪⎩⎝⎠
2
2 (5) (
)
2
11tan 11111tan 14y
C H s F C H s H H α
α
α
α⋅<
−=2
2
−≥−⎧⎪⎨
⎪⎩ (6) 其中：s C 轮胎纵向刚度；C α轮胎侧向刚度；s 轮胎滑转率；α轮胎侧偏角；x A 摩擦系数；
µ路面附着系数；轮胎滚动半径；R ω车轮转速；x
F 轮胎纵向力；y
F 轮胎侧向力。
2.4车轮模型
车轮运动学方程为：
__w ij d b ij wx ij f I T T R F T ω=−−⋅−& （7）
上面的公式没有考虑到轮胎在运动中的变化，有效动态旋转半径等于轮胎的静态半径。
ij ω为轮胎的角速度，ij r ω为轮胎坐标系下的车轮的速度；在进行轮胎滑动率计算时需要在
车轮坐标系下进行，因此需要计算轮胎与路面接触点的汽车的车速。其中：为驱动力矩；
为制动力矩；d T b T wij F 为轮胎力；f T 为阻力矩。 2.5载荷转移计算
虽然忽略了悬架的作用，但是汽车由于制动、驱动和转向时由于汽车纵向和侧向加速度的作用，汽车四个车轮的垂直载荷也是变化的，如下所示：
(
)(
)()(
)
222y x r
l zf f r
f r
f r
f r ma h
ma h
mgl l F l l l l l l t t =
−
−
⋅
++++r
（8）
(
)()()()
222y x r
zfr f r
f r f r f r ma h
ma h
mgl l F l l l l l l t t =
−
⋅
+++
+r
+ （9）
- 2 -
()(
)
()()
222f y x l zr f r
f r
f r f r mgl ma h
l ma h
F l l l l l l t t =
+
−
⋅
+++f
+ （10）
(
)()()()
222f y x l zf f r
f r f r f r mgl ma h
l ma h
F l l l l l l t t =
+
+
⋅
++++f
（11）
其中：a 汽车质心纵向速度；a 汽车质心侧向速度；x y zij F 汽车四个车轮的垂直载荷；h 汽车质心高；f l 汽车前轴距；汽车后轴距；r l f t 汽车前轮距；t 汽车后轮距；m 汽车质量。
r 2.7 驾驶员模型
图1 人工神经网络驾驶员模型框图
为完成汽车闭环仿真，如双移线行驶等，需要建立驾驶员模型。驾驶员模型采用预瞄优
化人工神经网络驾驶员模型[3]（如图1所示），驾驶员模型的参数，如T P 、w 、w 、w 和由人工神经网络训练得到。
1234w
2.8整车模型
整车模型只考虑了汽车的纵向、侧向和横摆运动。运动方程如下：
()cos cos sin sin x y xFl xFr yFl yFr xRl xRr
f f
f f m V V F F F F F γδδδδ⋅−⋅=+−−++&F F (12)
()sin sin cos cos y x xfl xfr yfl yfr yrl yrr
f f
f f m V V F F F F F γδδδδ⋅+⋅=+++++& (13)
(cos cos 2
sin sin )()2
(sin sin cos cos )()
f z xfl f xfr f
r yfl f yfr f xrl xrr f xfl f xfr f yfl f yfr f r yrl yrr t I F F t
F F F l F F F F l F F γδδδδδδδδ⋅=
⋅−++−+⋅−++⋅+++−⋅+&F (14)
其中：I Z 汽车转动惯量，V x 汽车纵向车速，V y 汽车侧向车速，γ&汽车横摆角速度，f δ汽车前
轮转角。
3．GUI 界面的编写
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